M2-Images - Rendu temps réel

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Introduction
Cartes graphiques et OpenGL
Développement
Opérations
M2-Images
Rendu temps réel - OpenGL 2 et 3
J.C. Iehl
December 6, 2010
J.C. Iehl
M2-Images
Introduction
Développement
Opérations
Introduction
OpenGL et la 3D :
I
A quoi ça sert ?
I
Qu’est ce que c’est ?
I
Comment ça marche ?
J.C. Iehl
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Introduction
Développement
Opérations
OpenGL
OpenGL
I
api 3d ?
I
dessiner des objets sur l’écran :
I
définir un point d’observation (une caméra),
I
définir la forme des objets,
I
définir les matières / l’aspect des objets.
l’api 3d est l’ensemble de fonctions permettant de réaliser toutes
les opérations nécessaire à l’affichage des objets.
et indirectement, une api 3d permet de ”programmer” une carte
graphique.
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
Introduction
I
cartes graphiques 3D
I
opérations
I
api 3d (DirectX / OpenGL)
I
pipeline graphique et shaders
I
utilisation efficace
I
effets / rendu multi-passes
J.C. Iehl
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Introduction
Développement
Opérations
I
A quoi ça sert ?
I
I
J.C. Iehl
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Introduction
Développement
Opérations
A quoi ça sert ?
à dessiner des polygones 3d sur une image 2d :
1. décrire les objets à afficher sous forme d’un ensemble de
triangles (primitives),
2. décrire les positions des sommets des triangles,
3. décrire la matière des triangles (couleur, aspect mat ou
réfléchissant, texture, etc.),
4. (décrire la lumière qui éclaire les objets),
5. décrire le point de vue (passage 3d vers l’écran 2d).
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
une librairie / api 3d :
permet à l’application d’utiliser les fonctionalités de la carte
graphiqe 3D,
un driver :
permet à la librairie de transmettre les données au matériel et de
réaliser l’affichage demandé par l’application,
du matériel spécialisé :
réalise l’affichage le plus vite possible (G80 600M triangles /
seconde).
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
dessine les primitives une par une, dans l’ordre :
plusieurs paramètres disponibles selon le type de primitive (point,
ligne, triangle).
le contexte
permet de stocker l’ensemble des paramètres d’affichage.
J.C. Iehl
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Introduction
Développement
Opérations
la librairie / api 3d :
I
vérifie que l’application utilise correctement l’api,
I
prépare les données et les paramètres pour simplifier leur
utilisation par le matériel.
le driver :
I
construit le contexte,
I
transmet le contexte, les données et les commandes au
matériel.
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
le matériel :
I
récupère les données,
I
récupère les commandes,
I
récupère le contexte.
utilise les paramètres du contexte et les données mises en forme par la
librairie et / ou le driver pour réaliser les opérations demandées par
l’application.
modèle client-serveur :
I
le client : l’application, la librairie et le driver,
I
le serveur : le matériel (et le driver dans certains cas).
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
Mais à quoi ça sert (réellement) ?
résumé :
I
afficher des triangles,
I
rendu interactif !
I
calculs génériques (autres que 3d).
ce qu’une api 3d ne sait pas faire :
I
OpenGL est une librairie graphique,
I
on ne l’utilise jamais seul !
I
(idem pour DirectX Graphics)
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
OpenGL : Développement
portabilité :
I
OpenGL est disponible plusieurs plateformes,
I
utiliser des librairies ”annexes” disponibles sur les mêmes
plateformes,
I
libSDL (images, textes, plugins, threads, réseaux, timers,
audio, joystick, évènements, etc.),
I
SFML,
I
OpenAL (audio 3D),
I
...
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
OpenGL : Développement
extensions :
I
introduction de nouvelles fontionnalités,
I
optimisation de fonctionnalités existantes,
I
permet de tester avant d’intégrer dans la version suivante.
utiliser une librairie pour utiliser les extensions : GLEW
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
OpenGL 2,3,4 et OpenGL ES 1,2
fonctionnalités différentes :
I
openGL 2 : carte graphique SM3 (geforce 5, radeon 9800)
I
openGL 3 : carte graphique SM4 (geforce 8, radeon hd 2000)
I
openGL 4 : carte graphique SM5 (geforce 400, radeon 5000)
openGL 2 + extensions : fonctionnalités SM4 et SM5 ... mais
openGL 3 et 4 : meilleure intégration dans l’api des nouvelles
fonctionnalités.
openGL ES : sous ensemble des fonctionnalités pour les systèmes
embarqués.
J.C. Iehl
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Développement
Opérations
OpenGL Core Profile
évolution de l’api :
I
openGL 2 et cartes SM4 : fonctions ”cablées”, non
programmables, mais configurables,
I
openGL 3.0 et 4.0 : transition vers un modèle entièrement
basé sur les shaders, plus de fonctions ”cablées”.
l’api reflète ce changement matériel : la description des lumières et
des matières n’existe plus, il faut écrire un shader pour obtenir le
même résultat, ou autre chose (?).
mais on peut avoir les deux ! cf. compatibility profile.
J.C. Iehl
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Opérations
Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Opérations
OpenGL et DirextX Graphics exposent les mêmes fonctionnalités :
I
initialisation,
I
description de la caméra,
I
(description des sources de lumières),
I
description des objets (forme) + attributs (matière),
I
(compilation et paramétrage des shaders),
I
affichage des objets + paramètres,
I
présentation du résultat,
I
. . . recommencer.
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Initialisation
créer un contexte de rendu :
I
permettre à plusieurs applications / threads d’utiliser la carte
graphique,
I
interactions avec le système de fenêtrage.
définir comment afficher :
I
dans une fenêtre / en plein écran,
I
avec / sans synchronisation,
I
plusieurs buffers : draw, display, color, z-buffer, stencil, . . .
I
format : RGB, RGBA, 8bits, float 32bits, float16 bits, . . .
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
SDL_Init ( SDL_INIT_VIDEO ) ;
info = SDL_GetVideoInfo () ;
S D L _ GL _ S e t A t t r ib u t e ( SDL_GL_DEPTH_SIZE , 16) ;
S D L _ GL _ S e t A t t r ib u t e ( SDL_GL_DOUBLEBUFFER , 1) ;
screen = SDL_SetVideoMode ( width , height , info - > vfmt - > BitsPerPixel ,
... SDL_OPENGL ) ;
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Caméra
I
position,
I
orientation,
I
projection 2D / orthographique, 3D / perspective, centrée, . . .
J.C. Iehl
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Opérations
Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
// s e l e c t i o n n e la matrice de v i s u a l i s a t i o n
glMatrixMode ( GL_PROJECTION ) ;
// r e i n i t i a l i s e les t r a n s f o r m a t i o n s
glLoadIdentity () ;
// definit une p r o j e c t i o n p e r s p e c t i v e
gluPerspective (50. , 1. , 1. , 1000.) ;
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Lumière
énergie :
I
comportement ambiant,
I
comportement diffus, spéculaire, réfléchissant (glossy /
phong).
type de source :
I
ponctuelle, directionnelle,
I
spot, . . .
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Objets (forme) + Matières
forme :
I
placée et orienté devant la caméra,
I
description par des primitives simples,
matière, interaction avec la lumière :
I
ambiante,
I
diffuse, spéculaire, réfléchissante (glossy / phong),
I
détails : textures, (shaders).
mêmes ”types” d’énergie que pour les sources de lumières.
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Objets et Primitives d’affichage
une carte est spécialisée pour afficher des points, droites, triangles
(quadrangles, polygones convexes).
afficher un objet == décomposer la forme de l’objet en
primitives :
I
un objet est un ensemble de faces (triangles, quadrangles),
I
une face est un ensemble de sommets (3 ou 4),
I
un sommet est un ensemble d’attributs.
ou se trouve l’objet ?
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Objets
décrire la forme d’un objet :
I
ensemble de sommets des primitives,
I
ensemble d’indices + ensemble de sommets,
I
description sous forme de tableaux (sommets, sommets +
indices),
I
stockage par l’application (conséquences ?)
I
stockage sur la carte graphique (conséquences ?)
J.C. Iehl
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Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Primitives indexées
un cube : 8 sommets, 6 faces.
description par sommet :
I
24 positions (6 faces de 4 sommets)
I
24*float[4] (position == VEC4)
description indexée :
I
8 positions + 24 indices
I
8*float[4] + 24*uint8
Quelle est la meilleure solution (résultat identique) ?
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
GLuint
GLuint
GLuint
GLuint
GLuint
GLuint
frontIndices = {4 , 5 , 6 , 7};
rightIndices = {1 , 2 , 6 , 5};
bottomIndices = {0 , 1 , 5 , 4};
backIndices = {0 , 3 , 2 , 1};
leftIndices = {0 , 4 , 7 , 3};
topIndices = {2 , 3 , 7 , 6};
// de ssiner face par face
glDrawElements ( GL_QUADS , 4 ,
GL_UNSIGNED_INT ,
GL_UNSIGNED_INT ,
GL_UNSIGNED_INT ,
GL_UNSIGNED_INT ,
GL_UNSIGNED_INT ,
GL_UNSIGNED_INT ,
frontIndices ) ;
rightIndices ) ;
bottomIndices ) ;
backIndices ) ;
leftIndices ) ;
topIndices ) ;
// de ssiner les 6 faces d i r e c t e m e n t
GLuint allIndices = {
4, 5, 6, 7, 1, 2, 6, 5,
0, 1, 5, 4, 0, 3, 2, 1,
0, 4, 7, 3, 2, 3, 7, 6
};
glDrawElements ( GL_QUADS , 24 , GL_UNSIGNED_INT , allIndices ) ;
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Vertex
sommets attribués (Vertex) :
I
position 3D,
I
matière : couleurs ambiente, diffuse, etc.
I
normales,
I
textures + coordonnées,
I
paramètres supplémentaires (shaders).
J.C. Iehl
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Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Affichage des objets
pour chaque objet :
I
placer et orienter l’objet devant la caméra,
I
activer le type de primitive (triangles),
I
activer le format des sommets : position, + couleur, +
normale, + textures,
I
activer les tableaux de sommets et d’indices,
I
activer les textures utilisées,
I
(activer et parametrer les shaders)
I
draw().
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Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
// place et oriente l ’ objet
glRotatef ( rotation_x , 1. f , 0. f , 0. f ) ;
glRotatef ( rotation_y , 0. f , 1. f , 0. f ) ;
glRotatef ( rotation_z , 0. f , 0. f , 1. f ) ;
glTranslatef ( position_x , position_y , position_z ) ;
// active le tableau de p o s i t i o n s
g l E n ab l e C l i e n t St a t e ( GL_VERTEX_ARRAY ) ;
glVertexPointer (3 , GL_FLOAT , sizeof ( VERTEX ) , mesh - > vertices ) ;
// dessine ( mesh - > i n d i c e s _ n / 3) t r i a n g l e s
glDrawElements ( GL_TRIANGLES ,
mesh - > indices_n , GL_UNSIGNED_INT , mesh - > indices ) ;
J.C. Iehl
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Initialisation
Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
Présentation
boucle d’affichage :
I
effacer les buffers utilisés (couleur, z-buffer, etc.),
I
placer / orienter la caméra,
I
afficher les objets,
I
échanger les buffers de dessin et de présentation.
J.C. Iehl
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Caméra
Lumière
Objets
Affichage
Présentation
SDL : exemple
// efface " l ’ ecran "
glClear ( G L_ C O L O R _ B U FF E R _ B I T | G L _ D E PT H _ B U F F E R _B I T ) ;
// s e l e c t i o n n e la matrice de la scene
glMatrixMode ( GL_MODELVIEW ) ;
// r e i n i t i a l i s e les t r a n s f o r m a t i o n s
glLoadIdentity () ;
// oriente la scene par rapport a la camera qui est restee en 0 ,0 ,0
glRotatef ( rotation_x , 1. f , 0. f , 0. f ) ;
glRotatef ( rotation_y , 0. f , 1. f , 0. f ) ;
glTranslatef ( camera_x , camera_y , camera_z ) ;
// de sssine la scene
display ( ... ) ;
// pr esente le resultat
S DL _G L _S w ap Bu f fe r s () ;
J.C. Iehl
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